Vend ensretterkredsløbet, tilslut den ene ende til jævnstrøm (DC), og den anden ende kan føre vekselstrøm (AC). Dette er en inverter, en enhed, der konverterer jævnstrøm til vekselstrøm.
De fleste kommercielle, industrielle og private belastninger kræver vekselstrøm, men vekselstrøm kan ikke lagres i batterier, og batteriopbevaring er vigtig for reservestrøm. I dag kan denne defekt overvindes med en jævnstrømsforsyning.
Polariteten af jævnstrøm ændres ikke over tid ligesom vekselstrøm, så jævnstrøm kan lagres i batterier og superkondensatorer. Så vi kan først konvertere vekselstrøm til jævnstrøm og derefter gemme det i batteriet. På denne måde, når der er brug for AC-strøm til at drive AC-apparater, vil DC-strøm blive konverteret tilbage til AC-strøm for at drive AC-apparater.
I henhold til applikationens inputkilde, tilslutningsmetode, udgangsspændingsbølgeform osv. er invertere opdelt i følgende 17 hovedkategorier.
1. Klassificer efter inputkilde
Indgangen på en inverter kan være en spændingskilde eller en strømkilde, så den er opdelt i spændingskildeinvertere (VSI) og strømkildeinvertere (CSI).
Spændingskildeinverter (VSI)
Når inverterens input er en konstant jævnspændingskilde, kaldes inverteren en spændingskildeinverter.
Indgangen til spændingskildeinverteren har en stiv jævnspændingskilde med nul impedans. Faktisk kan impedansen af en jævnspændingskilde ignoreres. Hvis det antages, at VSI er drevet af en ideel spændingskilde (ekstremt lav impedanskilde), bestemmes AC-udgangsspændingen fuldstændigt af tilstanden af switch-enhederne i inverteren og den anvendte DC-strømforsyning.
Current Source Inverter (CSI)
Når inverterens input er en konstant jævnstrømskilde, kaldes inverteren en strømkildeinverter.
Stiv strøm tilføres fra en jævnstrømskilde til CSI, hvor jævnstrømskilden har høj impedans. Normalt bruges store induktorer eller lukket sløjfe kontrolstrømme til at give stive strømme. Den resulterende strømbølge er stiv og påvirkes ikke af belastningen. AC-udgangsstrømmen er fuldstændig bestemt af omskifteren i inverteren og tilstanden af den DC-tilførte strømforsyning.
2. Klassificer efter udgangsfase
I henhold til udgangsspændingen og strømfasen er invertere hovedsageligt opdelt i to kategorier: enkeltfasede invertere og trefasede invertere.
Enfaset inverter
En enfaset inverter konverterer DC input til enfaset output. Udgangsspændingen/strømmen af en enfaset inverter har kun én fase, og dens nominelle frekvens er den nominelle spænding på 50Hz eller 60Hz.
Den nominelle spænding er defineret som det spændingsniveau, hvor det elektriske system fungerer. Der er forskellige nominelle spændinger, nemlig 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV og 765kV. Lav nominel spænding kan opnås direkte ved brug af interne transformere eller invertere med boost og buck kredsløb, mens der til høj nominel spænding anvendes eksterne boost transformere.
Enkeltfasede invertere bruges til lave belastninger. Enkeltfasetab er højere, og enfaseeffektivitet er lavere end trefasede invertere. Derfor er trefasede invertere det foretrukne valg til høje belastninger.
Trefaset inverter
En trefaset inverter konverterer jævnstrøm til trefaset strøm. En trefaset strømforsyning giver tre kanaler vekselstrøm med ensartet adskilte fasevinkler. Amplituden og frekvensen af alle tre bølger genereret ved udgangsenden er den samme, men varierer lidt på grund af belastningen, og hver bølge har en faseforskydning på 120 grader mellem hinanden.
Grundlæggende består en enkelt trefaset inverter af tre enfasede invertere, hver med en faseafstand på 120 grader, og hver enkeltfasede inverter er forbundet til en af de tre belastningsterminaler.
3. Klassificeret efter kommuteringsteknologi
Ifølge kommuteringsteknologi kan den opdeles i to hovedtyper: linjekommutering og tvungen kommuteringsinvertere. Derudover kan der være hjælpekommuteringsinvertere og komplementære kommuteringsinvertere, men da de ikke er almindeligt anvendte, vil vi kort diskutere de to hovedtyper her.
Linjevending
I disse typer vekselrettere kan netspændingen i AC-kredsløbet opnås gennem udstyr; Når strømmen i SCR oplever nul karakteristika, slukkes enheden. Denne kommuteringsproces kaldes linjekommutering, og invertere, der arbejder ud fra dette princip, kaldes linjekommuteringsinvertere.
Tvunget pendling
Ved denne type kommutering vil der ikke være noget nulpunkt i strømforsyningen. Det er derfor, der er behov for nogle eksterne kilder for at rette enheden. Denne kommuteringsproces kaldes tvungen kommutering, og invertere baseret på denne proces kaldes tvungen kommuteringsinvertere.
4. Klassificeret efter tilslutningsmetode
Ifølge tilslutningsmetoden for tyristorer i kredsløbet kan den opdeles i serieinvertere, parallelle invertere og broinvertere, blandt hvilke broinvertere er yderligere opdelt i halvbro, fuldbro og trefaset bro.
Serie inverter
En serieinverter består af et par tyristorer og RLC-kredsløb (modstand, induktans og kapacitans). En tyristor er forbundet parallelt med RLC-kredsløbet, og en tyristor er forbundet i serie mellem DC-strømforsyningen og RLC-kredsløbet. Denne type inverter kaldes en serieinverter, fordi belastningen er direkte forbundet i serie med DC-strømkilden ved hjælp af tyristorer.
Serieinvertere er også kendt som selvkommuterende vekselrettere, fordi tyristorerne på denne type vekselretter er selvkommuterede af belastningen. Et andet navn for denne inverter er 'load commutation inverter'. Grunden til at give dette navn er, at LCR er en belastning, der giver kommutering.
Parallel inverter
En parallel inverter består af to tyristorer, en kondensator, en midtertappetransformator og en induktor. Thyristorer bruges til at give en bane for strømflow, mens induktorer bruges til at holde strømkilden konstant. Ledningen og slukningen af disse tyristorer styres af kommutationskondensatorerne, der er forbundet mellem dem.
Det kaldes en parallel inverter, fordi kondensatoren i drift er forbundet parallelt med belastningen gennem en transformer.
Halvbro inverter
En halvbro-inverter kræver to elektroniske kontakter for at fungere. Switche kan være MOSFET'er, IJBT'er, BJT'er eller tyristorer.En halvbro med tyristor- og BJT-switche kræver to ekstra dioder, bortset fra rene resistive belastninger, mens MOSFET'er har indbyggede dioder. Kort sagt er to kontakter tilstrækkelige til at opfylde rene resistive belastninger, mens andre belastninger (induktorer og kondensatorer) kræver to ekstra dioder. Disse dioder kaldes feedback-dioder eller friløbsdioder.
Arbejdsprincippet for en halvbro-inverter er det samme for alle kontakter, men her diskuterer vi en halvbro med tyristorkontakter. Der er to komplementære tyristorer, hvilket betyder at man leder én tyristor ad gangen. For resistive belastninger fungerer kredsløbet i to tilstande. Skiftefrekvensen bestemmer udgangsfrekvensen. Når udgangsfrekvensen er 50HZ, leder hver tyristor én gang i 20ms.
Fuld bro inverter
En enfaset fuldbro-inverter har fire styrede kontakter, der bruges til at styre strømretningen i belastningen. Denne bro har 4 feedback-dioder, der kan tilbageføre energien, der er lagret i belastningen, til strømforsyningen. Disse feedback-dioder fungerer kun, når alle tyristorer er slukket, og belastningen ikke er en ren resistiv belastning.
For enhver belastning virker kun 2 tyristorer ad gangen. Tyristorer T1 og T2 vil lede i en cyklus, mens T3 og T4 vil lede i en anden cyklus. Med andre ord, når T1 og T2 er i ON-tilstand, er T3 og T4 i OFF-tilstand, mens når T3 og T4 er i ON-tilstand, er de to andre i OFF-tilstand. Åbning af to eller flere tyristorer på én gang kan forårsage en kortslutning, generere overdreven varme og straks brænde kredsløbet ud.
Trefaset broinverter
Industrielle og andre tunge belastninger kræver trefaset strømforsyning. For at betjene disse tunge belastninger fra lagerenheder eller andre jævnstrømskilder kræves en trefaset inverter. En trefaset bro-inverter kan bruges til dette formål.
En trefaset broinverter er en anden type broinverter, der består af 6 styrede kontakter og 6 dioder, som vist på figuren.
5. Klassificeret efter driftstilstand
I henhold til driftstilstanden er invertere opdelt i tre hovedkategorier:
Uafhængig inverter
Den uafhængige inverter er direkte forbundet til belastningen og vil ikke blive afbrudt af andre strømkilder. Uafhængig inverter eller "off grid mode inverter", inverteren leverer strøm til belastningen uafhængigt uden at blive påvirket af nettet eller andre strømkilder.
Disse invertere kaldes off grid mode invertere, fordi de ikke er påvirket af forsyningsnettet. Disse invertere kan ikke tilsluttes forsyningsnettet, fordi de ikke har synkroniseringsevne, hvor synkronisering er processen med at matche fase og nominel frekvens (50/60hz) af to AC-strømkilder.
Nettilsluttet inverter
Nettilsluttede eller nettilsluttede invertere (GTI) har to hovedfunktioner. En funktion af nettilsluttede invertere er at levere vekselstrøm fra lagerenheder (DC-strømkilder) til AC-belastninger, mens en anden funktion af nettilsluttede invertere er at levere ekstra strøm til nettet.
Nettilsluttede invertere, også kendt som utility interaktive invertere, grid interconnection invertere eller nettilslutte invertere, synkroniserer frekvensen og fasen af strømmen for at tilpasse sig forsyningsnettet. Ved at øge inverterens spændingsniveau overføres strøm fra DC-strømkilden til forsyningsnettet.
Dual peak inverter
Dual peak inverteren kan fungere som både en nettilsluttet inverter og en uafhængig inverter. Disse invertere kan injicere yderligere energi fra vedvarende energikilder og lagerenheder i nettet og hente elektricitet fra nettet, når energien genereret af vedvarende energi er utilstrækkelig. Med andre ord kan disse invertere fungere som uafhængige invertere og nettilsluttede invertere i henhold til belastningens krav. Dual peak invertere er multifunktionelle, herunder funktionerne af uafhængige invertere og nettilsluttede invertere.
Funktionen af en dual peak inverter vil variere med belastningen. Hvis der er et problem med elnettet, eller når strømmen fra vedvarende energi er tilstrækkelig til at opfylde belastningen, vil dens funktion blive ændret til en uafhængig inverter (det bliver en uafhængig inverter). I dette tilfælde vil overføringskontakten afbryde inverteren fra nettet.
Når vedvarende energi begynder at generere yderligere energi, vil driftstilstanden skifte fra uafhængig tilstand til nettilsluttet tilstand. Inverteren synkroniserer sin fase og frekvens med inverteren og begynder at tilføre yderligere energi i nettet.
6. Klassificer efter output-bølgeform
Den ideelle inverter refererer til en inverter, der konverterer DC-signaler til rene sinusformede AC-udgange. Problemet med faktiske invertere er, at deres udgangssignaler ikke er rent sinusformede. I henhold til output-bølgeformen er invertere opdelt i tre kategorier:
Firkantbølge inverter
Disse er de enkleste invertere til at konvertere jævnstrøm til vekselstrøm, men udgangsbølgeformen er ikke den krævede rene sinusbølge. Disse invertere har firkantbølger i udgangsenden. Med andre ord konverterer disse invertere DC input til AC i form af firkantbølger. I mellemtiden er firkantbølge-invertere også billigere.
Den enkleste struktur af disse invertere kan være en H-bro inverter. Som vist på figuren kan man opnå en enklere version ved brug af SPDT (single push double throw) kontakter før transformeren. Denne transformer hjælper også med at opnå ethvert ønsket udgangsspændingsniveau.
Betjeningen af en given model er ekstremt enkel. Blot at tænde og slukke for kontakten vil samtidigt ændre strømmen ved udgangsterminalen. Med andre ord vil skift af enkeltpolet dobbeltkast ved den ønskede frekvens generere AC-firkantbølger ved udgangen af en typisk inverter (dvs. centerudtagstransformator). Den harmoniske forvrængning af en typisk sinusbølge er omkring 45 %, hvilket kan reduceres yderligere ved at bruge filtre til at filtrere nogle harmoniske fra.
Quasi sinusbølge inverter
Kvasi sinusbølge inverter, også kendt som modificeret sinusbølge inverter med steppede sinusbølger. Med andre ord stiger udgangssignalerne fra disse invertere gradvist i positiv polaritet. Efter at have nået den positive top, falder udgangssignalet gradvist, indtil det når det negative top, som vist på figuren.
Strukturen af en kvasi sinusbølge inverter er meget enklere end en ren sinus bølge inverter, men mere kompleks end en ren firkantet bølge inverter.
Selvom den endelige udgangsbølgeform af disse invertere ikke er en ren sinusbølge, er den harmoniske forvrængning af outputtet stadig reduceret til 24 %. Filtrering vil yderligere reducere forvrængning, men mængden af forvrængning er stadig betydelig. Af denne grund er disse invertere ikke det foretrukne valg til at drive forskellige belastninger, herunder elektroniske kredsløb.
Kvasi sinusbølger kan permanent beskadige elektroniske enheder med timere i kredsløbet. Hvis de er tilsluttet en kvasi sinusbølge inverter, vil alle elektriske apparater med motorer ikke fungere så effektivt som dem, der er tilsluttet en ren sinus inverter. Derudover kan hurtige bølgeformsovergange forårsage støj. På grund af disse problemer er anvendelsen af kvasi sinusbølge-invertere begrænset.
Ren sinusbølge inverter
En ren sinus inverter konverterer DC til næsten ren sinus AC. Udgangsbølgeformen af en ren sinusbølge-inverter er stadig ikke en ideel sinusbølge, men den er meget glattere end firkantbølge- og kvasi-sinusbølge-invertere.
Udgangsbølgeformen af en ren sinusbølge-inverter har ekstremt lave harmoniske. Overtoner er sinusbølger med ulige multipla af grundfrekvensen af forskellige amplituder. Overtoner er meget upopulære, fordi de kan forårsage alvorlige problemer med forskellige elektriske apparater. Ved at bruge forskellige PWM-teknikker og derefter sende udgangssignalet gennem et lavpasfilter, kan disse harmoniske reduceres yderligere.
Konstruktionen og driften af rene sinusbølgeinvertere er meget mere kompleks end firkantbølge- og modificerede firkantbølgeinvertere.
Disse invertere er overlegne i forhold til de to første invertere, fordi det meste elektrisk udstyr kræver rene sinusbølger for at fungere bedre. Som tidligere nævnt kan firkantbølge- eller kvasi-sinusbølgeomformere beskadige elektriske apparater, især dem udstyret med motorer. Til praktisk brug anvendes derfor en ren sinus-inverter.
7. Klassificeret efter antallet af udgangsniveauer
Udgangsniveauet for enhver inverter kan være mindst to eller flere. I henhold til antallet af udgangsniveauer er invertere opdelt i to kategorier: to-niveau invertere og multi-level invertere.
To niveau inverter
En to-niveau inverter har to udgangsniveauer. Udgangsspændingen veksler mellem positiv og negativ og veksler ved grundfrekvensen (50Hz eller 60Hz).
Nogle såkaldte 'to-niveau invertere' har tre niveauer i deres udgangsbølgeform. Grunden til at klassificere tre-niveau invertere i denne kategori er, at et af niveauerne er nulspænding. Faktisk er nul det tredje niveau, men det er stadig klassificeret som en to-trins inverter.
Et to-niveau inverterkredsløb består af en kilde og nogle kontakter, der styrer strøm eller spænding. På grund af begrænsningerne af switchtab og enhedsklassificeringer er højfrekvensdriften af to-niveau invertere i højspændingsapplikationer begrænset. Afbryderens nominelle værdi kan dog øges gennem serie- og parallelkombinationer. Gruppen af kontakter, der giver en positiv halv cyklus i en to-niveau inverter, kaldes en positiv gruppe switch, mens den anden gruppe af switches, der giver en negativ halv cyklus, kaldes en negativ gruppe switch.
Af følgende årsager foretrækkes en to-niveau inverter ikke. Invertere kræver det mindste antal afbrydere og strømkilder for at fungere og konvertere strøm i små spændingstrin. Et mindre spændingstrin vil give højkvalitetsbølgeformer. Derudover kan det også reducere spænding (dv/dt) stress og elektromagnetiske kompatibilitetsproblemer på belastningen. Derfor er multi-level invertere det mere praktiske førstevalg.
Multi level inverter (MLI)
En multi-level inverter konverterer DC-signaler til multi-level step-bølgeformer. Udgangsbølgeformen af en multi-level inverter er ikke direkte positiv og negativ alternerende, men multi-level alternerende. På grund af det faktum, at glatheden af bølgeformen er direkte proportional med antallet af spændingsniveauer. Derfor vil multi-level invertere producere jævnere bølgeformer. Som nævnt tidligere gør denne egenskab den velegnet til praktiske anvendelser.
Konklusion:
Denne artikel introducerer 17 hovedtyper af invertere, men faktisk er der mange andre klassifikationer af invertere. For eksempel kan multi-level invertere også opdeles i flying capacitor inverters (FCMI), diode clamped inverters (DCMI) og cascaded H-bridge invertere.
Fra et praktisk anvendelsesperspektiv er trefasede invertere velegnede til højbelastningsanvendelser, rene sinusinvertere kan bedre beskytte elektriske apparater, og multi-level invertere er mere praktiske valg.